专利名称：锥束计算机层析成像重构的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机层析成像的领域，例如，锥束CT。特别地，本发明涉及从门控投影数据集重构投影数据的方法，还涉及图像处理设备、计算机层析成像设备和用于从门控投影数据集重构投影数据的计算机程序。
背景技术：
锥束计算机层析成像(CBCT)使得能够以高空间解析度来完成容积成像。随着获取速度的提高，心脏CT成像变得可行。但是，由于投影数据受门控，源轨迹被中断，导致了剂量效率降低并且禁止了精确重构技术的使用，例如在B.D.Smith的“Image reconstruction fromcone-beam projectionsnecessary and sufficient conditionsand reconstruction methods(根据锥束投影的图像重构必须和充足的条件和重构方法)”(IEEE trans.med.image.，MI-414-25，1985)中所述。
在这样的心脏锥束计算机层析成像系统中，源轨迹，也就是在其中采集数据的源路径，由于投影数据受门控的事实而被中断。在心脏锥束计算机层析成像中，可以按照心电图(ECG)或者其他适合检测心脏运动的方法来执行门控。由于门控，大部分的投影数据被丢弃，这很大程度地降低了剂量的利用率。并且，在某些情况下，可能违背Tuy定义的用于精确重构的3D完整性规范，导致不完整的radon数据，并且因而禁止使用精确的重构技术。
发明内容
本发明的目标是提供改进的重构技术。
依照在权利要求1中阐明的本发明的一个典型实施例，上述目标可以通过从门控的投影数据集重构投影数据的方法来解决，其中，首先获取门控投影数据集。源轨迹，也就是，用于获取门控投影数据集而使用的辐射源的轨迹，由于门控而具有至少一个间隙。在对CBCT应用该方法的情况下，门控优选按照心脏运动来执行，如上所述，可以按照心电图或者其他合适的方法来确定。然后，确定对应于所述至少一个间隙的新投影数据，并且利用该新投影数据来补充门控投影数据，以补偿源轨迹中的所述至少一个间隙。
有利地是，被补充的门控投影数据因而在某种程度上变得完整，例如，不再违背用于精确重构的三维完整性规范，因而产生完整的radon数据。有利地，这可能允许使用精确的重构技术。
依照如权利要求2中阐明的本发明的另外一个典型实施例，通过使用锥束计算机层析成像重构从门控投影数据集重构四维图像数据集。如权利要求3的典型实施例所述，基于这个四维图像数据可以确定四维向量场，该向量场描述被成像的关注对象的运动。然后可以使用这个运动场来对门控投影数据进行运动补偿。
换句话说，可以使用近似的重构技术来重构四维数据集。根据这个四维数据集，可以计算出四维向量场。然后，对该四维图像数据进行运动补偿。
依照如权利要求4中阐明的本发明的另外一个典型实施例，对所述四维图像数据进行运动补偿，并且随后使用该运动补偿的四维数据计算用于完善原始数据集(也就是填补间隙)的新投影数据。有利地是，这样使得能够形成完整的没有间隙的门控投影数据集，从而可以允许应用精确的或者准精确的重构技术。
于是，如权利要求5中定义的本发明的另外一个典型实施例所述，随后可以对已经由新投影数据补充了的门控投影数据应用精确或近似的重构算法或者方法，这样允许重构没有中断图像生成的最终图像数据。
有利地，这样可以提供改善的图像质量和快速、健壮的重构。
依照权利要求6中阐明的本发明的另外一个典型实施例，提供了一种图像处理设备，其包含用于从门控投影数据集重构投影数据的处理器。有利的是，这种图像处理设备适用于执行补充门控投影数据的操作，从而填补由于不完整的源轨迹所导致的数据间隙。
这种图像处理设备的优点在于允许非常精确和快速的重构。权利要求7中阐明了图像处理设备的另外一个典型实施例。
依照权利要求8中阐明的本发明的另外一个典型实施例，提供一种计算机层析成像设备，其包含适用于按照本发明的方法执行操作的处理器。该计算机层析成像设备的优点在于，尽管由于门控而导致源轨迹中断，仍提供精确的或者准精确的数据重构。
依照权利要求9中阐明的本发明的另外一个典型实施例，提供了一种计算机程序，其用于从门控投影数据集重构投影数据的数据处理器。依照本发明的计算机程序优选被载入数据处理器的工作内存。从而配备该处理器来实现本发明的方法的典型实施例。该计算机程序可以被存储在计算机可读媒介上，例如，CD-ROM。该计算机程序还可以在诸如环球网的网络上提供，并且可以从这样的网络下载到数据处理器的工作内存中。该计算机程序可以用任何合适的编程语言来书写，例如C++。
本发明的典型实施例的要点可以视为，可以从门控数据集，这里源轨迹由于数据采集受门控的事实而被中断，获得对应于未中断的源轨迹的投影数据。为此，应用了运动补偿。使用近似的重构技术来重构四维数据集。从此数据集，计算出四维向量场。而后对该四维图像数据进行运动补偿，并且随后使用其计算对数据集进行完善的新投影数据。新投影数据对应于丢失数据，即在被中断的源轨迹中的间隙。然后，可以使用合适的或者甚至是精确的重构算法应用到该没有中断图像生成的数据集。
参考下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将得以阐明并变得显而易见。
下文中，将参考以下附图描述本发明的典型实施例图1示出了依照本发明的一种锥束计算机层析成像扫描仪的典型实施例，它可以用于心脏锥束CT。
图2示出了操作图1的计算机层析成像设备的方法的典型实施例。
图3示出了用于进一步解释本发明的典型实施例的示意图。
图4示出了依照本发明的数据处理设备的典型实施例的简化示意图。
具体实施例方式
图1示出了依照本发明的一种计算机层析成像设备的典型实施例。优选地，这是一个锥束计算机层析成像设备(CBCT)，其中锥束6被应用于关注对象。参考此典型实施例，本发明将被描述为应用于心脏锥束CT。但是，应该注意，本发明不限于心脏CT，而是可以被应用于由于门控或合适的采样而使用不完整数据集的任何CT成像方法。换句话说，本发明可以被应用于对运动物体成像，一般而言，其中对某些运动阶段成像。
图1所示的CBCT扫描仪包含可围绕旋转轴2旋转的台架。台架1通过电机3被驱动。参考符号4标明辐射源，例如X射线源，其依照本发明一个方面发射出多色辐射。
参考符号5标明第一孔径系统，它将从辐射源4发出的辐射构形为锥形辐射束6。
锥形辐射束6(或者锥束)被引导来穿透放置在台架中心(也就是CBCT扫描仪的检查区域)的关注对象7，并且，照射到检测器8上。从图1可以看出，检测器8被设置在台架上，与辐射源4相对。图1中所示的检测器8具有多个检测器行，每一行包含多个检测器元件。
检测器8的检测器行排列在台架1上，这些行垂直于旋转轴2。并且，检测器8的列基本平行于旋转轴2。换句话说，检测器8可以是二维的检测器。
孔径系统5的孔径适应于检测器8的大小，以使关注对象7的被扫描区域包含在锥束6内，并且检测器8覆盖整个扫描区域。这个方法的优点在于避免了对关注对象7使用不必要的过量的辐射。在对关注对象7进行扫描期间，辐射源4、孔径系统5和检测器8随着台架1按照箭头16所指方向旋转。为了旋转台架1和辐射源、孔径系统5和检测器15，电机3被连接到电机控制单元17，电机控制单元17与计算单元18相连。
在图1中，关注对象7被放置在可以移动的托架19上。依照如上所述的本发明的一个典型实施例，完成一个圆周的数据采集，其中X射线源4被设置沿着圆形的源轨迹，也就是在围绕旋转轴2的旋转平面内进行旋转，而不在平行于旋转轴2的方向移动关注对象。因此，X射线源4进行圆周运动时关注对象可以不移动。但是，依照本发明的另外一个典型实施例，为了得到螺旋型源轨迹，可以在平行于旋转轴2的方向上移动关注对象7，或者在这个方向上与托架19一起移动。
检测器8连接到计算单元18。计算单元18接收检测结果，也就是来自检测器8的检测元件的读出，并且基于从检测器8得到的扫描结果来确定扫描结果。此外，计算单元18为了协调台架1与电机3和20或者托架19的运动而与电机控制单元17进行通信。计算单元18适用于根据检测器8的读出来重构图像。由计算单元18生成的图像可以通过接口22被输出到显示器(在图1中未显示)。
图2示出了图1的计算机层析成像设备的操作方法的典型实施例。
在步骤S1启动后，该方法继续步骤S2，其中执行数据采集。特别地，在步骤S2中，采集三维体的投影数据。由于门控过程的执行，采集的三维体具有间隙。例如，对于心脏锥束CT，由于依照心电图(ECG)或者其他任何合适的、适应于确定心脏运动的方法来门控投影数据，源轨迹被打断。由于这个原因，实际采集的投影数据的一部分被丢弃，这使得辐射剂量的利用率大大降低。这导致源轨迹中的间隙，也就是所获得的三维图像体中的间隙。并且，由于这点，可能违背用于精确重构的3D完整性规范，从而得到不完整的radon数据集。
然后，在随后的步骤S3中，重构四维图像数据集。对于心脏CBCT重构的例子，可以通过近似重构算法来重构四维图像数据集，例如以下文献中所描述的重构算法，Grass，M.et.al的“Helical cardiaccone-beam reconstruction using retrospective ECG gating(使用回溯式ECG门控的螺旋形心脏锥束重构)”(Phys.Med.Biol.2003)，或者Kachelrieβ，M.et.al.的“ECG-correlated imagereconstruction from subsecond multi-slice spiral CT scans ofthe heart”(根据对心脏次秒多层螺旋CT扫描的ECG相关图像重构)(Med.Phys.，27(8)1881-1902，2000)，这里引用此两篇文献以作参考。
然后，在随后的步骤S4，计算出一个向量场。特别地，根据在步骤S3重构的四维图像数据，使用三维重合记录技术或者块匹配算法计算出四维向量场，例如schffter T.et.al.“motion compensatedprojection reconstruction(运动补偿的投影重构)”(41954-963，1999)中所述的算法，此文献在此引入作为参考。
然后，在随后的步骤S5中，使用在步骤S4中确定的四维向量场对在步骤S2中获取的三维体进行运动补偿。然后，在随后的步骤S6中，通过利用例如前向投影计算新投影数据，使用运动补偿过的图像数据来填充轨迹中的间隙。
然后，在随后的步骤S7中，可以应用例如在以下文献中所描述的近似或精确算法，Katsevich，A.的“Analysis of an exact inversionalgorithm for spiral cone-beam CT(对用于螺旋式锥束成像CT的精确反演算法的分析)”(Phys.Med.Biol.，472583-2597，2002)，和Katsevich，A.的“Theoretically exact FBP-type inversionalgorithm for spiral CT(用于螺旋式CT的理论上精确的FBP类型反演算法)”(SIAM J.APP.Math.，622012-2026，2002)，这两篇文献在此引入作为参考。这样的重构算法可以用于使用运动补偿的投影数据来重构最后体积(图像)。有利地是，这样可以提高剂量效率，因此降低例如对病人施加的辐射剂量。
有利地是，上述方法还允许应用大面积检测器，为此，精确或准精确的如上所述的重构方法是必须的。
图3示出了可视化参考图2所描述的方法的简化示意图。从图3可以看出，由于门控，从中采集用于接下来的重构的数据的源轨迹是中断的。在心脏CT的例子中，源轨迹由于ECG门控而被中断。依照本发明，在随后的步骤S3中，对于不同相位执行近似的三维重构。随后，该方法继续到步骤S4和步骤S5，其中，使用根据四维图像数据确定的四维向量场对图像数据进行运动补偿。随后，通过利用前向投影计算新投影数据，使用运动补偿过的数据来填充轨迹中的间隙。随后，运动补偿过和补充过的图像数据被用于近似或者精确的重构算法，该算法允许例如从完整的数据集进行精确的三维重构。
图4示出了一种数据处理设备的典型实施例，这个图像处理设备用于执行参考图2，3所述的方法。从图4可以看出，中央处理单元(CPU)或者图像处理器51被连接到存储器52，储存器用于存储门控的投影数据集、任何中间数据或者最终重构的数据。所述数据可以由，例如图1中所示的，CBCT扫描仪获取。为此，图像处理器51可以被连接到这样的CBCT扫描仪和/或多个输入/输出/网络或者其他诊断设备。处理器1还被连接到显示器54(例如，计算机监视器)，以显示在图像处理器1中计算的或者改编的信息或图像。操作员可以通过键盘55和/或在图1中没有显示出的其他输入或者输出设备与数据处理器51进行交互。
上述的本发明可以，例如，被应用于医疗成像的领域。但是，如上所述，本发明也可以被应用于要检查运动物体的其他领域，例如，非破坏性测试领域。
权利要求
1.一种从门控投影数据集来重构投影数据的方法，该方法包含如下步骤采集门控投影数据集；其中由于使用门控，用于采集门控投影数据集的源轨迹有至少一个间隙；确定对应于该至少一个间隙的新投影数据；并且用该新投影数据补充门控投影数据，以补偿源轨迹中的至少一个间隙。
2.权利要求1中所述的方法，进一步包含如下步骤通过使用锥束计算机层析成像重构(CBCT)方法，从门控投影数据重构四维图像数据集。
3.权利要求2中所述的方法，进一步包含如下步骤从所述四维图像数据集确定四维向量场；其中，该四维向量场描述关注对象的运动；并且通过使用四维向量场进行对门控投影数据集的运动补偿。
4.权利要求3中所述的方法，进一步包含如下步骤基于运动补偿过的三维图像体来确定新的投影数据。
5.权利要求1中所述的方法，进一步包含如下步骤根据用新投影数据补充之后的门控投影数据重构投影；其中，所述门控投影数据集是三维数据集。
6.一种图像处理设备，包含储存器，用于存储门控投影数据集；处理器，用于从门控投影数据集重构投影数据，其中，该处理器适用于执行如下操作从存储器获取门控投影数据集；其中，由于使用门控，用于采集门控投影数据集的源轨迹有至少一个间隙；确定对应于该至少一个间隙的新投影数据；并且，用新投影数据补充门控投影数据，以补偿源轨迹中的至少一个间隙。
7.权利要求6中所述的图像处理设备，其中，处理器还适用于执行如下操作通过使用锥束计算机层析成像重构(CBCT)方法，从门控投影数据来重构四维图像数据集；从所述四维图像数据集确定四维向量场；其中，该四维向量场描述关注对象的运动；通过使用所述四维向量场执行对门控投影数据集的运动补偿；并且基于运动补偿过的三维图像体来确定新的投影数据；其中，所述门控投影数据集是三维数据集。
8.一种计算机层析成像设备，包含储存器，用于存储门控投影数据集；和处理器，用于从门控投影数据集进行投影数据重构，其中，处理器适用于执行如下操作从存储器获取门控投影数据集；其中，由于使用门控，用于采集门控投影数据集的源轨迹有至少一个间隙；确定对应于该至少一个间隙的新投影数据；并且，用新投影数据补充门控投影数据，以补偿源轨迹中的所述至少一个间隙。
9.一种用于从门控投影数据集重构投影数据的计算机程序，其中，当该计算机程序在计算机上运行时，导致计算机完成如下操作采集门控投影数据集；其中，由于使用门控，用于采集门控投影数据集的源轨迹有至少一个间隙；确定对应于该至少一个间隙的新投影数据；并且，用新投影数据补充门控投影数据，以补偿源轨迹中的所述至少一个间隙。
全文摘要
例如，在心脏锥束CT中，由于投影数据受门控的事实，源路径被中断。依照本发明，提供了一种从这样的门控数据集获取对应于不中断源轨迹的投影数据的方法。为此，应用运动补偿。有利的是，可以确定一个完整的数据集，以允许对这个没有图像生成中断的完整数据集应用近似或精确的重构方法。
文档编号G06T11/00GK1934591SQ200580009584
公开日2007年3月21日 申请日期2005年3月18日 优先权日2004年3月25日
发明者R·曼茨克, T·克勒, M·格拉斯, B·莫瓦萨希, T·尼尔森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司